Охлаждането с Пелтие (термоелектрическа технология за охлаждане, базирана на ефекта на Пелтие) се превърна в една от основните технологии в системата за контрол на температурата за PCR (полимеразна верижна реакция) инструменти, благодарение на бързата си реакция, прецизния контрол на температурата и компактния размер, което оказва силно влияние върху ефективността, точността и сценариите на приложение на PCR. Следва подробен анализ на специфичните приложения и предимства на термоелектрическото охлаждане (охлаждане с Пелтие), започвайки от основните изисквания на PCR:
I. Основни изисквания за контрол на температурата в PCR технологията
Основният процес на PCR е повтарящ се цикъл на денатурация (90-95℃), отгряване (50-60℃) и удължаване (72℃), който има изключително строги изисквания към системата за контрол на температурата.
Бързо покачване и спадане на температурата: Съкращаване на времето на един цикъл (например, спадането от 95℃ до 55℃ отнема само няколко секунди) и повишаване на ефективността на реакцията;
Високопрецизен контрол на температурата: Отклонение от ±0,5℃ в температурата на отгряване може да доведе до неспецифично усилване и трябва да се контролира в рамките на ±0,1℃.
Температурна равномерност: Когато множество проби реагират едновременно, температурната разлика между ямките с пробата трябва да бъде ≤0,5℃, за да се избегнат отклонения в резултата.
Адаптиране на миниатюризацията: Преносимата PCR (като например сценарии за POCT тестване на място) трябва да бъде компактна по размер и без механично износващи се части.
II. Основни приложения на термоелектрическото охлаждане в PCR
Термоелектричният охладител Cooler TEC, термоелектричен охлаждащ модул, модул Пелтие постига „двупосочно превключване на нагряване и охлаждане“ чрез постоянен ток, като перфектно отговаря на изискванията за контрол на температурата на PCR. Специфичните му приложения се отразяват в следните аспекти:
1. Бързо покачване и спадане на температурата: Съкращаване на времето за реакция
Принцип: Чрез промяна на посоката на тока, TEC модулът, термоелектрическият модул или устройството на Пелтие могат бързо да превключват между режим „нагряване“ (когато токът е в права посока, абсорбиращият топлината край на TEC модула или модула на Пелтие става отделящ топлината край) и режим „охлаждане“ (когато токът е в обратна посока, отделящият топлината край става абсорбиращ топлината край), с време за реакция обикновено по-малко от 1 секунда.
Предимства: Традиционните методи за охлаждане (като вентилатори и компресори) разчитат на топлопроводимост или механично движение, а скоростите на нагряване и охлаждане обикновено са по-малки от 2℃/s. Когато TEC се комбинира с метални блокове с висока топлопроводимост (като мед и алуминиева сплав), може да се постигне скорост на нагряване и охлаждане от 5-10℃/s, намалявайки времето за един PCR цикъл от 30 минути до по-малко от 10 минути (както е при инструментите за бърза PCR).
2. Високопрецизен контрол на температурата: Осигуряване на специфичност на амплификацията
Принцип: Изходната мощност (интензитет на нагряване/охлаждане) на TEC модула, термоелектрическия модул за охлаждане и термоелектрическия модул е линейно корелирана с интензитета на тока. В комбинация с високопрецизни температурни сензори (като платинени резистори, термодвойки) и PID система за управление с обратна връзка, токът може да се регулира в реално време, за да се постигне прецизен контрол на температурата.
Предимства: Точността на контрол на температурата може да достигне ±0,1℃, което е много по-високо от това на традиционното охлаждане с течна баня или компресорно охлаждане (±0,5℃). Например, ако целевата температура по време на етапа на отгряване е 58℃, TEC модулът, термоелектричният модул, охладителят на Пелтие или елементът на Пелтие могат стабилно да поддържат тази температура, като избягват неспецифичното свързване на праймерите поради температурни колебания и значително повишават специфичността на амплификацията.
3. Миниатюрен дизайн: Насърчаване на разработването на преносими PCR системи
Принцип: Обемът на TEC модула, елемента на Пелтие, устройството на Пелтие е само няколко квадратни сантиметра (например, TEC модул, термоелектричен охлаждащ модул или модул на Пелтие с размери 10×10 мм може да отговори на изискванията на една проба), той няма механични движещи се части (като буталото на компресора или лопатките на вентилатора) и не изисква хладилен агент.
Предимства: Когато традиционните PCR инструменти разчитат на компресори за охлаждане, техният обем обикновено е над 50 литра. Въпреки това, преносимите PCR инструменти, използващи термоелектрически модул за охлаждане, термоелектрически модул, модул на Пелтие, TEC модул, могат да бъдат намалени до по-малко от 5 литра (като например ръчни устройства), което ги прави подходящи за полеви тестове (като например скрининг на място по време на епидемии), клинично тестване до леглото на пациента и други сценарии.
4. Еднородност на температурата: Осигуряване на последователност между различните проби
Принцип: Чрез подреждане на множество комплекти TEC масиви (като например 96 микро TEC, съответстващи на 96-ямкова плака) или в комбинация с метални блокове, споделящи топлината (материали с висока топлопроводимост), температурните отклонения, причинени от индивидуалните разлики в TEC, могат да бъдат компенсирани.
Предимства: Температурната разлика между ямките за проби може да се контролира в рамките на ±0,3℃, като се избягват разликите в ефективността на амплификацията, причинени от неравномерни температури между крайните и централните ямки, и се осигурява сравнимост на резултатите от пробите (като например съгласуваността на CT стойностите при количествена PCR с флуоресценция в реално време).
5. Надеждност и поддръжка: Намаляване на дългосрочните разходи
Принцип: TEC няма износващи се части, има живот над 100 000 часа и не изисква редовна смяна на хладилни агенти (като фреон в компресорите).
Предимства: Средният живот на PCR инструмент, охлаждан от традиционен компресор, е приблизително от 5 до 8 години, докато TEC системата може да го удължи до над 10 години. Освен това, поддръжката изисква само почистване на радиатора, което значително намалява разходите за експлоатация и поддръжка на оборудването.
III. Предизвикателства и оптимизации в приложенията
Охлаждането на полупроводниците не е перфектно в PCR и изисква целенасочена оптимизация:
Затруднено разсейване на топлината: Когато TEC се охлажда, голямо количество топлина се натрупва в страната, където се отделя топлината (например, когато температурата падне от 95℃ на 55℃, температурната разлика достига 40℃ и мощността на отделяне на топлина се увеличава значително). Необходимо е да се комбинира с ефективна система за разсейване на топлината (като медни радиатори + турбинни вентилатори или модули за течно охлаждане), в противен случай това ще доведе до намаляване на ефективността на охлаждане (и дори до повреди от прегряване).
Контрол на консумацията на енергия: При големи температурни разлики, консумацията на енергия от TEC е относително висока (например, TEC мощността на 96-ямков PCR инструмент може да достигне 100-200 W) и е необходимо да се намали неефективната консумация на енергия чрез интелигентни алгоритми (като например предсказуем контрол на температурата).
Iv. Практически случаи на приложение
В момента, масовите PCR инструменти (особено инструментите за количествена PCR с флуоресценция в реално време) обикновено използват технология за охлаждане на полупроводници, например:
Лабораторно оборудване: 96-ямков флуоресцентен количествен PCR апарат от определена марка, включващ TEC контрол на температурата, със скорост на нагряване и охлаждане до 6℃/s, точност на контрол на температурата от ±0.05℃ и поддържащ 384-ямково високопроизводително откриване.
Преносимо устройство: Определен преносим PCR инструмент (с тегло под 1 кг), базиран на TEC дизайн, може да завърши откриването на новия коронавирус в рамките на 30 минути и е подходящ за сценарии на място, като летища и общности.
Обобщение
Термоелектрическото охлаждане, с трите си основни предимства - бърза реакция, висока прецизност и миниатюризация, реши ключовите проблеми на PCR технологията по отношение на ефективност, специфичност и адаптивност към сцената, превръщайки се в стандартна технология за съвременните PCR инструменти (особено бързите и преносими устройства) и популяризирайки PCR от лабораторията до по-широки области на приложение, като например клинично откриване до леглото на пациента и на място.
TES1-15809T200 за PCR машина
Температура на горещата страна: 30°C,
I max: 9.2A
Umax: 18.6V
Qmax: 99,5 W
Делта T макс.: 67°C
ACR: 1,7 ±15% Ω (1,53 до 1,87 ома)
Размер: 77 × 16,8 × 2,8 мм
Време на публикуване: 13 август 2025 г.
